Design of Current-Mode Filters Utilizing the Mathematical Optimization Approach

Mit dem fortwährenden technischen Fortschritt werden die Anforderungen an integrierte Schaltungen in CMOS--Technologie immer größer. Aber der Anspruch nach höherer Funktionalität integrierter Schaltungen, bei gleichzeitiger Reduktion der Kosten und Abmessungen für Architekturen mit optimaler Effizienz und sehr guter Linearität, verlangt ihren Tribut. Inhärent mit der Verkleinerung der Strukturgrößen werden auch die Versorgungsspannungen niedriger, was zu einer spürbaren Verschlechterung der Schaltungen führt. Die klassischen Architekturen stoßen damit an ihre Grenzen und sind für moderne Technologien nur bedingt tauglich. In diesem Zusammenhang nimmt die Fachliteratur immer wieder Bezug auf das Current Mode--Konzept, das als alternative Entwurfstechnik primär auf die Möglichkeit hinweist, Stromsignale statt Spannungen zu verarbeiten. Im Allgemeinen verspricht man sich dadurch höhere Bandbreiten, einen geringeren Leistungsverbrauch und vor allem einen hohen Dynamikbereich für Low Voltage--Schaltungen. Um die Leistungsfähigkeit der Current Mode--Technik für den Design rekonfigurierbarer Filter zu untersuchen, müssen vorher zwei Problemstellungen geklärt werden. Zum einen hat sich bisher für Current Mode weder eine Definition zur Abgrenzung von der allgemein bekannten Voltage Mode--Technik ergeben, noch existiert eine klar ausgearbeitete Theorie zu diesem Thema. Damit wird es sehr schwer, ihre vermeintlichen Vorteile mit objektiven Kriterien zu erklären/beweisen oder sie nach festgelegten Entwurfsstrategien gezielt einzusetzen. Zum anderen zeigen wissenschaftliche Arbeiten, dass Current Mode gegenüber Voltage Mode-Schaltungen schlechtere Leistungsmerkmale hinsichtlich ihrer Linearität aufweist, was ein Ausschlusskriterium für moderne Transceiver--Architekturen darstellt. Dieser Nachteil kann mit einem numerischen Entwurfsverfahren für analoge Filter überwunden werden, das signifikante Nichtlineariäten des Filters bei der Berechnung ihrer Filterkoeffizienten berücksichtigt und diese dementsprechend linearisiert.Demands on integrated circuits (IC) in CMOS technology are continually increasing with an everlasting technical progress. However, the requirements for modern circuit design in terms of higher functionality at lower costs and decreasing chip area in combination with highly efficient and linear architectures are taking their toll. The reduction of minimal gate lengths in CMOS is accompanied with smaller supply voltages which leads to diminished circuit properties. Consequently, modern IC design is redefining the borders where classical architectures are not suitable to fit their demands. In this context, current mode architectures are often mentioned as potential solution which primarily employs current signal processing instead of voltages. Generally, it promises higher bandwidths, lower power consumption, and high dynamic range in low voltage applications. In order to evaluate the performance of the current mode concept, two issues must be taken into account to utilize this concept in the design of reconfigurable baseband filters. Firstly, there is no generally accepted definition of the current mode concept, and furthermore there is a lack of research on fundamental understanding of current mode circuits. Secondly, inferior linearity characteristics exhibited by current mode circuits in comparison with their voltage mode counterparts as suggested by some publications can lead to its disqualification for modern transceiver designs. However, this drawback can be compensated by utilizing mathematical optimization which will take into account the nonlinearities by approximating the coefficients of the filter transfer function